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Gekühlter Gasturbinenläufer Die vorliegende Erfindung hat eine Gasturbine
zum Gegenstand, deren Läufer und Beschaufelung mittels einer Flüssigkeit gekühlt
wenden soll. Da die Kühlflüssigkeit der Fliehkraft unterliegt und die von der Kühlflüssigkeit
aufgenommene Wärme gegebenenfalls zur Erzeugung von hochgespanntem Dampf nutzbar
gemacht werden soll, müssen die Räume zur Aufnahme des Kühlmittels druckfest sein.
Die Ausbildung des Läufers als reiner Trommelläufer hat den Nachteil einer sehr
hohen zusätzlichen Beanspruchung .durch Iden Innendruck. Auch ist es kaum möglich,
Teile der Beschaufelung :bei Beschädigung auszuwechseln. Bei reinen Scheibenläufern
dagegen macht die Zu- und Ableitung des Kühlmittels insbesondere zu und von .den
Schaufein große Schwierigkeiten, weil hier eine Bearbeitung von innen her kaum möglich
ist. Die Herstellung solcher gekühlter Scheiben mit am Außenumfang befestigten gleichfalls
gekühlten Schaufeln ist daher sehr erschwert.
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Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, den Läufer aus ring- und scheibenförmigen
Körpern herzustellen, die druckfeste Hohlräume zur Aufnahme des Kühlmittels umschließen
und die ringförmigen, als Schaufelträger ausgebildeten Körper in den scheibenförmigen
Körpern zu lagern. Die ringförmige Ausbildung des Schaufelträgers gestattet allseitige
Bearbeitung, insbesondere von innen und eine zweckmäßige Ausbildung der Kühlräume.
Diese können verhältnismäßig klein sein,
so daß auch die Beanspruchung
durch Innendruck nur gering ist. Durch Lagerung der ringförmigen Schaufelträger
in Scheiben wird die äußere Beanspruchung durch Fliehkraft gemindert, da die Scheiben,
die entsprechend kräftig ausgebildet sein müssen, den größten Teil der angreifenden
Fliehkräfte aufnehmen. Der Schaufelträger kann aus mehreren zwischen Scheibengelagerten
Ringen bestehen. Bei Beschädigung der Schaufel ist -die Auswechselung eines solchen
Ringes verhältnismäßig einfach. Unter Umständen kann es auch zweckmäßig sein, den
Schaufelträger nur aus einem entsprechend breiten Ringstück gegebenenfalls durch
Verschweißung mehrerer Ringe herzustellen, wenn es weniger darauf ankommt, einzelne
Schaufelringe auswechseln zu können. In einem solchen Falle können auch die Scheiben
zu einem Körper zusammengefaßt werden, so daß der Läufer dann nur noch aus zwei
auseinandernehmbarenTeilen besteht. Entsprechend der Beheizung des Läufers von außen
müssen auch .die Hohlräume für das Kühlmittel am Außenumfang angeordnet sein. Soweit
der äußere Umfang von den ringförmigen Schaufelträgern und den Scheiben gebildet
wird, müssen auch beide Hohlräume für das Kühlmittel enthalten. Wird der Umfang
.des Läufers nur .an den Ringen -des Schaufelträgers gebildet, so ist es nicht notwendig,
auch noch die Scheiben zu kühlen, da :diese nicht mehr unmittelbar beheizt werden.
Es ist aber nicht ausgeschlossen, daß -durch entsprechend gebohrte Scheiben das
Kühlmittel zu den Schaufelträgern zu- und abgeleitet wird. Neben den schon erwähnten
Vorteilen, .die durch vorliegende Erfindung erzielt werden, muß besonders auf die
große Nachgiebigkeit der beheizten Teile nach allen Richtungen hingewiesen wenden.
Sowohl in axialer Richtung .als auch in radialer Richtung besteht für jedes einzelne
Teil Dehnungsmöglichkeit, wenn. es z. B. höhere Temperatur als die anderen Teile
annimmt.
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Die Erfindung ist an Hand der Abb. i bis 8 näher erläutert.
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Die Abb. i zeigt eine Gasturbine mit gekühltem Läufer nach der Erfindung.
Auf ,der Turbinenwelle i sitzen Scheiben 2. Zwischen den Scheiben 2 sind Ringe 3
eingespannt, die .die Beschaufelung 4 tragen. Die Scheibenköpfe 5 sind .so ausgebildet,
daß sie nach beiden Seiten vorspringende Ränder ,der Ringe 3 übergreifen. Der Außenumfang
des Läufers wird bei .dieser Anordnung abwechselnd durch aneinandergepreßte Scheiben
:2 und Ringe 3 gebildet. Zur Kühlung des Außenumfanges ist es daher erforderlich,
daß außer den Ringen 3 auch ,die Scheiben gekühlt werden. In den Ringen 3 sind daher
zur Aufnahme ,des Kühlmittels Hohlräume 6 und in den Scheiben Hohlräume 7 vorgesehen.
Das Kühlmittel tritt .durch die Wellenbohrung 8 in Aden Läufer ein und wird dann
über Verbindungsröhrchen 9, die noch etwas in -die Hohlräume 6 <und 7 .der Scheiben
2 .und Ringe 3 vorstehen, an die Außenwandung des Läufers geschleudert: In ,der
oberen Hälfte der. Abbildung ist die Kühlmittelzufuhr dargestellt. Die untere Hälfte
zeigt die Ab-Leitung des erzeugten Dampfes aus den Hohlräumen 6 .und 7 über die
Bohrungen io und Röhrchen i i zur Hohlwelle i, von wo aus der Dampf einer nichtgezeigten
Verbraucherstelle zugeführt werden kann. Durch .das in die Hohlwelle i eingeschraubte
Hohlwellenstück 12 werden auch die Scheiben 2 und Ringe 3 fest aneinandergepreßt.
Die Verbrennung ider Treibstoffe mag unter Überdruck in dem Ringraum 13 erfolgen,
von wo. aus die Gase die Beschauielung durchströmen. Mit 14 wird die Leitschaufel
und mit 15 das Gehäuse der Turbine bezeichnet. Bei dem dargestellten Beispiel sind
die Scheiben zum Halten der Schaufelträger und -die Scheibe, die die Kühlkörper
am Feuerraum trägt, verschiedenartig ausgebildet. Es können jedoch auch alle Scheiben
völlig gleichartig sein. Gegebenenfalls können dann .bei dem im Feuerraum liegenden
Teil zwischen den Scheiben Kühlringe eingesetzt werden, die keine Schaufel tragen.
Diese gleichartige Ausbildung der Scheiben ist ein besonderer Vorteil der Erfindung.
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Der Aufbau des gesamten Läufers bei oder Ausführung, nach Abb. i kann
z. B. ausgehend von der rechten Scheibe aus erfolgen. Es wird dann .der erste Ringkörper
aufgesetzt und die Verbindungsleitungen zu den Scheibenhohlräumen und den Ringhohlräumen
angeschlossen, dann baut man .die nächste .Scheibe auf usw.
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Die Abb. 2 zeigt Zu- und Ableitung des Kühlmittels zu bzw. von !dem
Hohlraum 6 des ringförmigen Schaufelträgers 3 .durch den scheibenförmigen Körper
2. In diesem Falle ist je ein Ring 3 auf einer Seite mit einer Scheibe 2 fest verbunden,
beispielsweise durch Schweißung, während auf der anderen Seite der Ring ohne feste
Verbindung in der benachbarten gelagert ist. Von dem Hohlraum 6 führen Bohrungen
16 in die Schaufel, durch die vom Raum 6 her ebenfalls Kühlwasser fließt. Durch
-die Umdrehung des Läufers wird .das schwerere Wasser ständig nach außen geschleudert
und der am Außenumfang und in den Schaufeln gebildete Dampf nach innen .abgedrängt,
so daß die am stärksten beheizten Teile des Läufers am intensivsten gekühlt werden.
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Die Abb. 3 zeigt eine andere Form de's Erfindungsgedankens. Hier wird
der Außenumfang des Läufers nur durch aneinandergesetzte Ringe 3 gebildet, die nach
der Achse zu mit Aussparungen versehen sind, in .die der vorspringende Rand der
Scheiben 2 eingreift. Da die Scheibe 2 hinter den Ringen 3 liegt, braucht sie nicht
gekühlt zu werden. Hohlräume 6 für das Kühlmittel sind daher auch nur für die Schaufelträger
3 vorzusehen.
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Ein anderes Beispiel für die Erfindung ist in Abb.4 dargestellt. Ähnlich
wie in den vorhergehenden Beispielen sind auch hier die ringförmigen .Schaufelträger
3 wieder in den Scheiben 2 gelagert. Beiderseits der Schaufelträger 3 sind Ansätze
17 vorhanden. Diese Ansätze zweier benachbarter Schaufelträger 3 werden nach der
Montage des Läufers miteinander verschweißt. Hierdurch entstehen in sich geschlossene
Hohlräume 18, die durch .die Schaufelträger 3 und die Scheiben 2 umgrenzt
werden.
Die Ansätze 17, die d.ie äußere Begrenzung der Hohlräume 18 bilden, werden
im wesentlichen nur durch den Innendruck beansprucht und können, da .die Hohlräume
18 klein sind, verhältnismäßig dünnwandig sein. Die Kühl-.mittelzufuhr zu den Hohlräumen
18 kann über die Wellenbohrung 8 und Verbindungsrohre 9 zu dem ersten Hohlraum 18
erfolgen und von hier aus @du,rch Bohrungen i9 in (den Schaufelträgern 3 zu -den
übrigen Hohlräumen 18. Der entstandene Dampf kann in ähnlicher Weise von :dem letzten
Hohlraum über Rohre i i und Wellenbohrung 2o abgeleitet werden. Es ist zweckmäßig,
.durch eine zweite, weiter nach innen liegende Bohrung 21 in den Schaufelträgern
3 das Überströmen von Dampf von dem ersten bis zum letzten Hohlraum zu erleichtern.
Bei Auswechselung einzelner Schaufelträger 3 werden die Ansätze 17 wieder
aufgeschnitten, so daß (die einzelnen Scheiben und Schaufelträger einzeln abgezogen
wenden können.
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Die Ableitung -des Dampfes könnte auch von den Kühlräumen direkt radial
zur Welle erfolgen, und zwar durch die Räume, die zwischen je zwei Scheiben liegen.
Um die Ringbleche 17 von den dann entstehenden größeren Kräften durch Innendruck
zu entlasten, ist es dann zweckmäßig, die Ringkörper 3 mit den sie übergreifenden
Scheiben kraftschlüssig zu verbinden, z. B. .durch Gewinde zwischen beiden oder
durch Aufschrumpfen usw.
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Die A'bb. 5 und 6 zeigen ein Beispiel, beidem die Scheiben durch einen
trommelförmigen Körper 22 ersetzt sind. Dieser Körper 22 ist mit Längsnuten 23 und
Ringnuten 24 ausgerüstet. Diese Längs- und Ringnuten dienen zum Einsetzen der ringförmigen
Schaufelträger 3. Die Sch.aufelträger@ 3 sind mit Ansätzen 25 versehen, die dem
Profil der Längsnuten 23 @angepaßt sind. Beim Aufschieben der Schaufelträger 3 gleiten
die Ansätze 25 in den Längsnuten 23 entlang. Für jeden Schaufelträger 3 ist eine
Ringnut 24 vorgesehen. Durch Drehung des Schaufelträgers 3 greifen die Ansätze 25
in Aussparungen der Ringnut 24 ein. Auf diese Weise werden alle Schaufelträger in
den trommelförmigen Körper 22 eingesetzt und gehalten. Ähnlich wie in dem vorhergehenden
Beispiel tragen die Schaufelträger 3 (in geringem Abstand von dem Trommelkörper
22 Blechansätze 26. Durch Verschweißung dieser Bleche 26 entstehen wiederum Hohlräume
27 zur Aufnahme des Kühlmittels. Es ist zweckmäßig, die Bleche 26 zur Erhöhung
der Druckfestigkeit zu wölben.
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In dem Beispiel nach Abb. 7 wind -der Schaufelträger 28 als Ganzes
in den Trommelkörper 29 eingesetzt. Der Schaufelträger 28 kann durch Verschweißen
mehrerer Ringe gebildet werden oder auch aus einem Stück gearbeitet sein. Gehalten
wird der Schaufelträger durch stufenartiges Eingreifen der Ringe in entsprechende
Stufen des Trommelkörpers. Beide schließen Hohlräume 30i, zur Aufnahme des Kühlmittels
ein.
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Eine ähnliche Ausbildung des Läufers zeigt auch Abb. B. Auch hier
wird der Schaufelträger 28 durch stufenartiges Eingreifen in den Trommelkörper 29
gehalten; nur wird in diesem Falle der Schaufelträger 28 in zwei Teilen von beiden
Seiten auf den Trommelkörper 29 aufgeschoben, und dann werden beide Teile miteinander
verschweißt. Die Hohlräume 30,dienen .auch in diesem Falle zur Aufnahme des Kühlmittels.
Elastische Bleche 31,
die zur Erhöhung der Druckfestigkeit auch gewölbt sehn
können, schließen .die Hohlräume 3o zwischen den Schaufelträgern 28 und Trommelkörper
29 dicht ab.
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In allen Fällen ist es vorteilhaft, die Kühlung des Läufers nachdem
Drehkesselprinzip arbeiten zu lassen, nachdem das Kühlmittel ohne besondere Pumpe
dem Läufer nahezu drucklos zugeführt wird. Durch Schleuderung einer nach außen an
den Umfang führenden Wassersäule wird das Kühlmittel auf Druck gebracht, der annähernd
dem Druck des erzeugten Dampfes entspricht und diesem das Gleichgewicht hält.